Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode

Schaltzeichen der vier IGBT-Typen

Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist ein Halbleiterbauelement, das zunehmend in der Leistungselektronik verwendet wird, da es Vorteile des Bipolartransistors (gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit) und Vorteile eines Feldeffekttransistors (nahezu leistungslose Ansteuerung) vereinigt. Vorteilhaft ist auch eine gewisse Robustheit gegenüber Kurzschlüssen, da der IGBT den Laststrom begrenzt.

Es gibt in Summe vier verschiedene Grundtypen von IGBTs, welche durch vier verschiedene Schaltsymbole dargestellt werden. Je nach Dotierung des Grundmaterials lassen sich n- und p-Kanal-IGBTs herstellen. Diese unterteilen sich jeweils in einen selbstleitenden und einen selbstsperrenden Typ. Diese Eigenschaft ist im Rahmen des Herstellungsprozesses wählbar. In den Schaltsymbolen ist bei selbstleitenden IGBTs, auch als Verarmungs-Typ bezeichnet, eine durchgezogene Linie zwischen den Anschlüssen Kollektor (C) und Emitter (E) gezeichnet. Diese Linie ist bei den selbstsperrenden Typen, auch Anreicherungs-Typ bezeichnet, unterbrochen dargestellt. Der Gate-Anschluss (G) dient bei allen Typen als Steueranschluss.

Aufbau und Funktionsweise

Schematischer Aufbau eines PT-n-Kanal-IGBTs

Ersatzschaltung eines IGBT

IGBTs sind eine Weiterentwicklung des vertikalen Leistungs-MOSFETs. Die Abbildung zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen n-Kanal-IGBT.

Der IGBT ist ein Vierschicht-Halbleiterbauelement, das mittels eines Gates gesteuert wird. Er besitzt ein meist homogenes hochdotiertes p-Substrat (n-Kanal-IGBT) mit einem speziell ausgebildeten p-n-Übergang auf der Rückseite. Auf dem Trägermaterial wird eine schwachdotierte n-Epitaxieschicht aufgebracht und anschließend die p-Kathodenwannen (manchmal hochdotiert) und hochdotierte n-Inseln durch Diffusion eingebracht. So entsteht eine n⁺pnp⁺-Struktur für einen n-Kanal-IGBT. P-Kanal-IGBT besitzen entsprechend eine p⁺npn⁺-Struktur.

Für die Funktion des IGBTs sind der p-n-Übergang und das Gate verantwortlich. Es entsteht eine Darlington-Schaltung aus einem n-Kanal-FET und einem pnp-Transistor.

An den Kollektor wird (bezogen auf den Emitter) ein positives Potential angelegt, so dass der rückseitige Übergang sich im Vorwärtsbetrieb und nicht im inversen Sperrbetrieb befindet. Der Vorwärtsbetrieb lässt sich in zwei Bereiche aufteilen: in einen Sperr- und in einen Durchlassbereich.

Solange die Schwellenspannung (Gate-Emitter-Spannung, U_GE) des FETs nicht erreicht ist, befindet sich der IGBT im Sperrbetrieb. Wird die Spannung U_GE erhöht, gelangt der IGBT in den Durchlassbereich. Es bildet sich wie bei normalen MIS-Feldeffektransistoren unterhalb des Gates in der p-Kathodenwanne ein leitender n-Kanal aus. Dieser ermöglicht den Elektronentransport vom Emitter in die Epitaxieschicht. Da der rückseitige p-n-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet ist, werden aus dem p⁺-Substrat Löcher in die Epitaxieschicht injiziert, dabei entsteht ein Elektronen-Lochplasma, das für die eigentliche Leitung sorgt. Dieses Plasma muss bei jedem Umschaltvorgang auf- bzw. abgebaut werden, wodurch höhere Schaltverluste als bei Leistungs-MOSFET entstehen. Beim Abbau dieses Plasmas kann es auch dazu kommen, das der IGBT erneut kurzzeitig durchschaltet.

Wie in der Abbildung zu sehen ist, birgt die Vierschicht-Halbleiteranordnung die Gefahr eines parasitären Thyristors. Ähnlich wie bei CMOS-Schaltungen kann es bei IGBTs daher zum sogenannten Latch-Up-Effekt kommen, d. h., der Thyristor zündet, und es fließt ein Strom, der nicht über das Gate gesteuert werden kann.

Eigenschaften

IGBT-Modul (IGBTs und Freilaufdioden) mit einem Nennstrom von 1200 A und einer maximalen Spannung von 3300 V

• Über die Kollektor-Emitter-Strecke eines IGBT fällt wie beim Bipolartransistor mindestens die Schleusenspannung ab. Bei Nennstrom sind das typischerweise je nach Sperrspannung 1,7 V bis 3 V. Das macht sie für niedrige Spannungen uninteressant.
• Die Durchlassverluste bei hohen Strömen sind um einiges kleiner gegenüber vergleichbaren Feldeffekttransistoren mit hohen Sperrspannungen.
• IGBTs haben einen kleinen Durchlasswiderstand.
• Beim IGBT handelt es sich wie beim FET um ein spannungsgesteuertes Bauelement.
• Im Gegensatz zu Leistungs-MOSFETs können Punch-Through-IGBTs (PT-IGBT) zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit nicht ohne weiteres parallel geschaltet werden. Non-Punch-Through-IGBTs (NPT-IGBT) hingegen besitzen wie die Leistungs-MOSFETs einen positiven Temperaturkoeffizienten und können parallel geschaltet werden. In den meisten IGBT-Hochleistungsmodulen wird das auch getan.
• Der IGBT ist in Rückwärtsrichtung nur begrenzt sperrfähig. Meist ist bereits im Gehäuse eine Freilaufdiode mit kurzen Schaltzeiten zwischen Emitter und Kollektor eingebaut, die in Rückwärtsrichtung leitet. Andernfalls muss bei Bedarf eine externe Freilaufdiode ergänzt werden.

Nachteilig sind die gegenüber Leistungs-MOSFETs großen Schaltverluste, besonders beim Abschalten (Stromschweif). Der Hauptanwendungsbereich liegt bei höheren Spannungen ab einigen 100 V, hohen Leistungen und relativ geringen Arbeitsfrequenzen (typisch ca. 1 bis 20 kHz, max. 200 kHz)

Anwendungen

Geöffnetes IGBT-Modul mit vier IGBTs (halber Vierquadrantensteller) zu je 400 A und 600 V

IGBTs werden unter anderem im Hochleistungsbereich eingesetzt, da sie über eine hohe Vorwärts-Sperrspannung (derzeit bis 6,6 kV) verfügen und hohe Ströme (bis etwa 3 kA) schalten können. In der Antriebstechnik (z. B. im Lokomotivbau) ersetzen sie in Pulswechselrichtern für Drehstrommaschinen inzwischen weitgehend die vorher gebräuchlichen Schaltungen mit GTO-Thyristoren.

Einsatzgebiete sind u. a.:

• Schaltnetzteile
• Frequenzumrichter in der Antriebstechnik oder in Induktionsöfen
• Gleichstromsteller
• USV-Anlagen
• Dimmer in Verbindung mit elektronischen Transformatoren (z.B. für Halogen-Niedervoltlampen)
• Phasenabschnittsteuerungen
• Hochspannungs-Gleichstromübertragung
• Wechselrichter
• Halbleiter-Relais

Literatur

• Vinod Kumar Khanna: IGBT - Theory and Design. 1 Auflage. Wiley & Sons, 2003, ISBN 0-471-23845-7.
• Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule. 1. Auflage. ISLE Verlag, 1998, ISBN 978-3-9326-3324-9 (PDF-Version).
• Josef Lutz: Halbleiter- Leistungsbauelemente. 1. Auflage. Springer Verlag, 2006, ISBN 3-540-34206-0.